CN101559539A - 金属板材激光高精度热弯曲成形 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种提高金属板材激光热弯曲成形精度的方法。成形工件固定于三维数控平台上，连续激光束以一定的扫描速度沿给定的运动轨迹加热金属板材表面，在激光束后约1～3个光斑直径的距离处施加不同的压力，在弯曲角较大的位置施加较小的压力，在弯曲角较大的位置施加较大的压力，以减小沿加热线成形板材弯曲角度的变化，提高成形工件的成形精度。该方法适于高硬脆难变形板材较高精度的成形，在航空航天、医疗和微电子领域有着较大的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用激光束实现金属板材高精度弯曲成形的方法，属于机械制造技术领域，可应用于小批量或难成形材料的金属板材无模快速成形加工。
技术背景
激光热成形技术作为一种新的板材成形工艺方法，将激光技术引入到塑性成形技术中，利用高能激光束局部加热材料表面，诱发不均匀热应力，使材料产生塑性变形，从而获得所需目标形状。与传统板材冲压成形等冷成形工艺相比，激光热成形过程中无需模具和外力，因而柔性大，生产周期短，特别适合于多品种、小批量的零部件的加工；由于属于热态累积成形，该技术尤其适合高硬度、高脆性等难成形材料的成形，像钛合金、镍合金、陶瓷和硅片等；激光能量密度高，热影响区小，对成形件材料性能的影响小，且成形过程中不易产生皱曲。因此，激光热成形技术在航空航天、汽车、船舶和微电子等领域具有重大的应用前景，初步的工业应用也显示出该技术巨大的开发潜力。
目前，由于不同位置冷态材料对加热区域的约束力变化、加热起始端温度与终止端温度不同于准稳态温度，导致激光热成形加工中工件除了产生期望的沿加热线法向横向弯曲变形外，还会产生沿加热线的弯曲变形、翘曲变形等成形过程中不希望得到的变形，导致沿加热线板材弯曲角度不同，在板的两侧弯曲角稍微大一些，而在板的中部弯曲角较小。尽管在常规热成形中可以不予考虑，但对于成形精度要求较高的工件，像航空航天、医疗和微电子等领域的零部件，这些成形误差不仅会影响工件的装配精度，也严重影响工件的使用寿命，并制约了激光热成形技术在上述领域应用。在激光热成形过程中，由于板材的非期望变形伴随着期望变形同时产生，因此，必须掌握激光热成形中两者并存矛盾现象的有效解决方法，才能在保证期望变形的前提下，减小沿加热线板材弯曲角度，提高工件的成形精度。
发明内容
为了克服金属板材激光热成形中沿加热线板材弯曲角度不同的问题，本发明提供一种热力结合的金属板材激光热成形方法，减小沿加热线板材弯曲角度的变化，提高金属板材的成形精度。
本发明任务解决其技术问题所采用的技术方案是：金属板材置于三维数控平台上，一端固定。为了防止金属板材表面油垢影响传热，金属板材用丙酮进行清洗。由于低碳钢对其的吸收率很低，为了提高激光的吸收系数，在金属表面均匀涂上一层涂层，进行黑化处理。连续激光束以一定的扫描速度沿给定的运动轨迹加热金属板材表面，通过自然冷却、强制对流空冷或强制对流水冷对加热区域进行冷却。产生沿加热线板材弯曲角度变化的主要原因，一是在不同位置金属板材的冷态材料对加热区域的约束力不同，在板的两侧约束力小一些，而在板材的中部约束力较大，约束力不同导致高温区域的塑性收缩变形不同；二是加热过程中在加热起始端温度比准稳态温度低，而在终止端温度比准稳态温度高。为了获得沿加热线相同的弯曲角度，在激光束后约1～3个光斑直径的距离处施加不同的压力，该处板材已由反向弯曲转变为正向弯曲，上表面材料温度降低而下表面温度仍要继续升高一段时间，下表面热膨胀量继续增加，且温度仍然很高(约在450℃左右)，该温度条件下金属板材屈服强度大大下降而易于变形，因此在较小压力下板材可获得较大的塑性变形。对于较厚的金属板材用机械的方式进行压力施加，对于较薄的金属板材，可用高压气流进行压力施加。施加较大的压力对应于弯曲角较大的增加，施加较小的压力对应于弯曲角较小的增加，具体的压力值随工艺参数和板材几何尺寸变化。为了求出每次扫描所需要的加工工艺参数，建立压力大小、光斑直径、激光功率和扫描速度与板材变形基本关系数据库。根据数据库和板材变形量要求，可以反求出所需要的加工工艺参数。
与常规的金属板材热成形相比，试验结果表明该方法沿加热线方向可以获得均匀的板材弯曲角，大大提高金属板材的成形精度。由于在高温下进行板材成形，该方法不仅适于常规金属材料，而且也可应用于高硬脆难变形材料的成形，在航空航天、医疗机械和微电子等领域有着较大的应用前景。
附图说明
图1高精度激光热弯曲成形装置示意图
图2高精度激光热弯曲成形过程示意图
1控制系统，2激光器，3反射镜，4聚焦镜，5激光束，6成形工件，7三维数控台，8夹具，9压力输出系统
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式加以说明。高精度激光热弯曲成形装置由控制系统(1)、CO2激光器(2)、反射镜(3)、聚焦镜(4)、压力输出系统(9)、夹具(8)、三维数控台(7)和成形工件(6)组成，如图1所示。
金属板材具体成形步骤如下：
1、用丙酮对金属板材表面进行清洗；
2、在金属板材表面均匀涂上一层激光吸附涂层，进行黑化处理；
3、成形工件(6)置于三维数控台(7)上，用夹具(8)固定成形工件(6)的一端，激光束(5)和压力施加装置(9)位置固定不变；
4、激光束由激光器(2)发出，通过反射镜(3)和聚焦镜(4)形成一定光斑直径的光束辐射在成形工件(6)表面；
5、保持光斑直径不变，建立沿加热线板材最大弯曲角与工艺参数基本关系数据库，根据基本关系数据库和板材弯曲变形要求，可以反求出所需要的扫描速度和激光功率；
6、建立压力大小、板材几何尺寸、工艺参数与板材弯曲变形基本关系数据库，在弯曲角较大的位置施加较小的压力，在弯曲角较小的位置施加较大的压力，根据基本关系数据库和板材弯曲角的变化，可以确定出在不同加热位置所需要的压力值；
7、三维数控台(7)带动成形工件(6)移动，使连续激光束(5)以一定的扫描速度v沿给定的运动轨迹b加热成形工件(6)表面，在激光束(5)后距离激光束中心d处施加压力F，压力由压力输出系统(9)根据不同加热位置施加，如图2所示，对于较厚的板材用机械的方式进行压力施加，d约为1～3个光斑直径的距离，对于较薄的板材可用高压气流进行压力施加；
8、加热完成后，金属板材通过自然冷却、强制对流空冷或强制对流水冷对加热区域进行冷却。
Claims (3)
1、一种提高金属板材激光热弯曲成形精度的方法，其特征是沿加热线在激光束后约1～3个光斑直径的距离处施加不同的压力，在弯曲角较大的位置施加较小的压力，在弯曲角较大的位置施加较大的压力，以提高成形工件的成形精度。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于保持光斑直径不变，建立沿加热线板材最大弯曲角与工艺参数基本关系数据库，根据基本关系数据库和板材弯曲变形要求，可以反求出所需要的扫描速度和激光功率。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于建立压力大小、板材几何尺寸、工艺参数与板材弯曲变形基本关系数据库，根据基本关系数据库和板材弯曲角的变化，可以确定出在不同加热位置所需要的压力值。
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